數顯電容高低調節器的原理與應用

1 引言

許多大型裝備制造企業(yè)和造船行業(yè)普遍使用火焰切割機自動(dòng)套料切割鋼板，而電容高低調節器是切割機中必不可少的配套部件。該設備的主要功能是保證切割機的割炬頭與被切割工件始終保持最佳切割距離，從而消除由于被切割工件的不平度變化而引起的加工精度誤差，進(jìn)而保證切割質(zhì)量，同時(shí)也是自動(dòng)切割必不可少的附屬設備，切割機割矩和電容探頭示意圖如圖1所示。由于切割機在工作過(guò)程中不能準確探知切割割炬與鋼板的距離，這就必然影響鋼板的切割質(zhì)量。為了保證切割過(guò)程中割縫寬度均均，提高切割精度，采用一種2位數碼管顯示割炬與被切鋼板的距離，這就可以在切割過(guò)程中實(shí)時(shí)監控割炬與鋼板的距離，從而有效保證鋼板的切割質(zhì)量。

2 數顯高低調節器的組成

2.1 電容傳感器

數顯高低調節器系統組成如圖2所示。探頭電路如圖3所示。探頭由直徑80 cm的金屬環(huán)做成，通過(guò)屏蔽線(xiàn)連接到電容傳感器電路，電容傳感器電路由晶體振蕩器、高頻檢波器、比較運算放大器組成。晶體振蕩器產(chǎn)生6 MHz頻率，分兩路，一路送往R4、D2、C5、R6組成的高頻上檢波器，另一路送往電容探頭和由R5、D3、C6、R7組成的高頻下檢波器。兩路高頻信號經(jīng)過(guò)高頻檢波后，經(jīng)過(guò)差分電壓比較放大，輸出放大緩慢的電壓，這一電壓是變化的，因為電容環(huán)在相對金屬板材高低運動(dòng)過(guò)程中，從電容環(huán)反饋至R5、D3、C6、R7組成的高頻下檢波器的信號是變化的高頻電壓信號，經(jīng)過(guò)檢波輸出的直流信號也是變化的緩慢的信號。當A1正端的變化信號與A1負端的不變信號電壓比較時(shí)，將電容環(huán)對鋼板感應的變化信號通過(guò)A1轉換成緩慢的直流電壓輸出信號，為送往比較放大電路和階梯比較電路作準備。

2.2 放大比較電路

放大比較電路如圖4所示。來(lái)自電容傳感器電路的變化直流信號送入A2放大器放大，A2的正端電壓通過(guò)A3被R18和R20分壓，A2的反向端直接接至VR2電位器中點(diǎn)，調節VR2電位器中點(diǎn)可改變A2反向端的電位，也就是改變A2的輸出電壓。來(lái)自電容傳感器電路的變化直流信號電壓和VR2電位器中點(diǎn)的直流電壓疊加到A2的反向端，通過(guò)A2線(xiàn)性放大后，A2輸出變化的直流電壓，調節電位器VR2中點(diǎn)電壓實(shí)際就是改變電容探頭離鋼板的實(shí)際探測距離。A2輸出電壓一路接A4的正向輸入端，另一路接A5的反向輸入端，調節VR3電位器中點(diǎn)電壓，可同時(shí)改變A4的反向電壓和A5的正向電壓，D5起箝位電壓作用。當A2輸出電壓跌落至D5箝位電壓時(shí)，A4和A5之間無(wú)輸出電壓。當A2輸出電壓大于A(yíng)4反向端電壓時(shí)，A4輸出高電平，D6發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當A2輸出電壓小于A(yíng)5正向輸出電壓時(shí)，A5輸出高電平，D7發(fā)光二極管點(diǎn)亮，指示電容探頭升高或降低。當手動(dòng)／自動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，A4和A5的電壓能通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)M傳輸到D8和D9，以驅動(dòng)后續的光耦電路。在自動(dòng)狀態(tài)下也可以進(jìn)行手動(dòng)上下調節，手動(dòng)上下調節比自動(dòng)上下調節優(yōu)先級高，所以在實(shí)際工作現場(chǎng)，處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)如果遇到緊急狀態(tài)，可以手動(dòng)人工緊急干預，按上升鍵或下降鍵，以免碰到鋼板或障礙物造成事故發(fā)生。

2.3 光電耦合與電機驅動(dòng)電路

光電耦合與電機驅動(dòng)電路如圖5所示。來(lái)自放大比較電路的高低調節信號通過(guò)光耦G1和G3送到功率驅動(dòng)電路，光耦的作用是把電機驅動(dòng)電路與放大比較電路隔離，將強電與弱電分離。這樣電機干擾和現場(chǎng)干擾就不會(huì )進(jìn)入放大比較電路。

當上升信號通過(guò)G1時(shí)，發(fā)光二極管D10導通發(fā)亮，并在R27電阻上建立電壓，該電壓加在三態(tài)門(mén)S1的2引腳和三態(tài)門(mén)S4的12引腳。與此同時(shí)，由于G3無(wú)信號，發(fā)光二極管D12截止，在R29電阻上就無(wú)法建立電壓，該低電平信號通過(guò)S2三態(tài)門(mén)，輸出給S1三態(tài)門(mén)控制端，S1三態(tài)門(mén)選通。在S1導通的同時(shí)，被選通的S4輸出信號加到S3三態(tài)門(mén)控制端。封鎖S3三態(tài)門(mén)導通。這種狀態(tài)是S1、S2、S4選通。

當下降信號通過(guò)G3時(shí)，D12導通發(fā)亮。并在R29電阻上建立電壓。該電壓加在三態(tài)門(mén)S3的9引腳和三態(tài)門(mén)S2的5引腳。與此同時(shí)，由于G1無(wú)信號，D10截止，在R27電阻上就無(wú)法建立電壓，該低電平信號通過(guò)S4三態(tài)門(mén)，輸出給S3三態(tài)門(mén)控制端，S3三態(tài)門(mén)選通；在S2導通的同時(shí)，被選通的S2輸出信號加給S1三態(tài)門(mén)控制端，封鎖S1。這種狀態(tài)是S2、S3、S4選通。

再來(lái)看直流電機M正反轉的情況。當S1、S2、S4選通時(shí)，T1、T5、T6、T4、T10導通；T2、T7、T3、T8、T9截止，此時(shí)由于T6和T10導通．整流的直流110V電壓直接加在電機兩端，電機正轉，電容探頭提升；當S2、S3、S4選通時(shí)，T2、T7、T3、T8、T9導通；T1、T5、T6、T4、T10截止，此時(shí)由于T9和T7導通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機反轉，電容探頭下降。

若電路受到外界電磁干擾或者誤操作同時(shí)按動(dòng)“上升”和“下降”按鈕，就有可能導致G1和G3同時(shí)選通，但由于74LS125三態(tài)門(mén)具有保護作用，只允許上升信號或下降信號一個(gè)信號通過(guò)。電路具有互鎖性，從而避免燒壞后續的驅動(dòng)管。當電機的電流超過(guò)T6、T7或T9、T10驅動(dòng)管的額定電流時(shí)，就有可能燒壞驅動(dòng)管，為了避免燒壞驅動(dòng)管，該電路設計采用74LS125三態(tài)門(mén)互鎖，并在T7和T10發(fā)射極增加采樣電阻，當采樣電壓超過(guò)光耦的導通電壓，光耦的輸出就會(huì )把調高的信號電壓短路，使信號電壓不能通過(guò)G1或G2，這樣對驅動(dòng)管具有保護作用。

2.4 階梯比較譯碼顯示電路

在火焰切割中，割炬與鋼板的切割距離為5mm～8mm時(shí)，切割效果最佳。為了顯示割炬與鋼板的最佳距離，采用二極管譯碼電路。圖6左邊是階梯比較電路，右邊是一組模擬開(kāi)關(guān)和二極管譯碼電路，其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1是個(gè)位數的七段發(fā)光數碼管，b2、c2是十位數的發(fā)光二極管，只能顯示1，整個(gè)電路可以對4～14個(gè)數字進(jìn)行譯碼顯示。采用共陰極七段發(fā)光數碼管。

當電容探頭下降時(shí)，電容傳感器電路輸出的電壓信號很小，小于Y14比較器 的負向電壓，此時(shí)，Y14輸出低電平，Y5～Y13比較器輸出高電平，M14模擬開(kāi)關(guān)選通，b2、c2發(fā)光數碼管不亮。Y14輸出低電平也使N4輸出低電平，通過(guò)T11導相，輸出為高電平，此時(shí)，a1、b1、c1、d1、el、f1、g1七段發(fā)光數碼管全亮，第一次顯示為豎立的“8”，表示割炬與鋼板的距離大于14 mm。

當電容探頭繼續下降時(shí)，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y14比較器的負向電壓，小于Y13比較器正向電壓時(shí)，Y5～Y14輸出高電平，M14、M0～M9模擬開(kāi)關(guān)全部輸出高電平，T11晶體管導通；T11晶體管的導通使二極管D30、D33二極管對地導通，從而使a1、d1、e1得不到導通電壓，a1、d1、e1不發(fā)光，此時(shí)兩位數碼發(fā)光二極管顯示為“14”。

當電容探頭再下降時(shí)，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y13比較器正向電壓，而小于Y12比較器正向電壓，此時(shí)只有Y13輸出低電平，Y14器輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管點(diǎn)發(fā)亮；而Y13輸出低電平時(shí)，同時(shí)M4封鎖，M4不能選通，只有M3選通，Y13的低電平拉低D32、D36陰極電位，同時(shí)也拉低D32、D36陽(yáng)極電位，使e1、f1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2和a1、b1、e1、d1、gl發(fā)亮，兩位數碼發(fā)光二極管顯示為“13”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y12比較器正向電壓，而小于Y11比較器正向電壓時(shí)，Y12輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管發(fā)亮；Y12輸出低電平的，同時(shí)M3封鎖，M3不能選通，只有M2選通，Y12的低電平拉低D35陰極電位，同時(shí)也拉低D35陽(yáng)極電位，使c1、f1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2和a1、b1、d1、e1、g1發(fā)亮，兩位數碼發(fā)光二極管顯示為“12”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y11比較器正向電壓，而小于Y10比較器正向電壓時(shí)，Y11輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管點(diǎn)亮；Y11輸出低電平時(shí)同時(shí)M2封鎖，M2不能選通，只有M1選通，Y11的低電平拉低D26、D27、D31、D32、D36、D37陽(yáng)極電位，使a1、d1、e1、f1、g1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2和b1、c1發(fā)亮，兩位數碼發(fā)光二極管顯示為“11”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y10比較器正向電壓，而小于Y9比較器正向電壓時(shí)，Y10輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管發(fā)亮；而Y10輸出低電平時(shí)，同時(shí)M1封鎖，M1不能選通，只有M0選通，Y10的低電平拉低D18陽(yáng)極電位，使g1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2、a1、b1、c1、d1、e1、f1發(fā)亮，兩位數碼發(fā)光二極管顯示為“10”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y9比較器正向電壓，而小于Y8比較器正向電壓時(shí)，Y9輸出低電平，Y8輸出高電平，封鎖M14，使b2、c2發(fā)光二極管不發(fā)光；Y9輸出低電平時(shí)，M0封鎖，Y9的低電平通過(guò)M9模擬開(kāi)關(guān)拉低D25陽(yáng)極電位，使e1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、b1、c1、d1、f1、g1發(fā)亮，個(gè)位數顯示為“9”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y8比較器正向電壓，而小于Y7比較器正向電壓時(shí)，Y8輸出低電平，Y7輸出高電平，Y8輸出低電平時(shí)，M9封鎖，此時(shí)，譯碼二極管全部處于懸空狀態(tài)，a1、bl、c1、d1、e1、f1、g1七段發(fā)光管全部點(diǎn)亮，個(gè)位數顯示為“8”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y7比較器正向電壓。小于Y6比較器正向電壓時(shí)，Y7輸出低電平，Y6輸出高電平，而Y7輸出低電平時(shí)，M8封鎖，Y7的低電平通過(guò)M7模擬開(kāi)關(guān)拉低D31、D32、D36、D37陽(yáng)極電位，使d1、e1、f1、g1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、b1、c1發(fā)亮，個(gè)位顯示為“7”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y6比較器正向電壓，而小于Y5比較器正向電壓時(shí)，Y6輸出低電平，Y5輸出高電平，Y6輸出低電平時(shí)，M7封鎖，Y6的低電平通過(guò)M6模擬開(kāi)關(guān)拉低D23陽(yáng)極電位，使b1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、c1、d1、e1、f1、g1發(fā)亮，個(gè)位數顯示為“6”。

電容探頭繼續下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y5比較器正向電壓時(shí)，Y5輸出低電平，N6封鎖，Y5的低電平通過(guò)M5模擬開(kāi)關(guān)拉低D29、D34陽(yáng)極電位，使b1、e1達不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、c1、d1、f1、g1發(fā)亮，個(gè)位顯示為“5”。

通過(guò)以上對階梯比較和澤碼顯示電路的詳細解剖分析，可以看出。隨著(zhù)割炬的下降，電容傳感器電路輸出的信號電壓隨之上升，每步進(jìn)上升一步電壓，比較器輸出電壓就為低電平，同時(shí)封鎖下一級模擬開(kāi)關(guān)，唯獨Y14不同，因為其正端和負端與其他的比較器接法不同。為了使數 碼顯示割炬與鋼板保持5 mm～14 mm的距離，在現場(chǎng)調試時(shí)，VR2、VR4、VR5也應進(jìn)行相應調整。

3 結束語(yǔ)

在火焰切割機自動(dòng)套料切割鋼板中，數顯電容高低調節器能把割炬與鋼板的距離直觀(guān)定量地顯示出來(lái)，可降低操作者的勞動(dòng)強度，具有定位距離可調、切割精度和自動(dòng)化程度高、安全可靠等特點(diǎn)。通過(guò)多年的實(shí)際應用，該系統使用效果很好。